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東北大学 理系・数学IIIを含む 数学記述模試 第093回

この回のテストポイント

試験の条件と取り組み方

この模試の演習範囲は数学I（全範囲）／数学A（図形の性質・場合の数と確率）／数学II（全範囲）／数学B（数列）／数学C（ベクトル・平面上の曲線と複素数平面）／数学III（全範囲）です。問題・解答は独自に作成したものです。途中式、場合分け、証明の根拠も書きなさい。

大学公式の入試情報・公開問題を参照した対策用のオリジナル模試です。応用問題で、場合分け・必要十分条件・証明の記述を重視します。演習範囲・時間・大問数・満点・小問配点は本模試の設計です。実際の入試の時間・配点・出題形式を再現したものではありません。資料確認日：2026-10-04。出願時の試験条件は大学の最新募集要項で確認してください。

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問題

第1問　重解を使う三次曲線の面積（17点）

曲線 \(y=f(x)=x^3-867x\) の \(x=17\) における接線をlとする。

（1）接線と曲線のすべての交点を求めなさい。重解の意味も説明しなさい。（5点）

（2）曲線と接線で囲まれた有限部分の面積を求めなさい。（5点）

（3）その部分のうち、横座標が非負である部分の面積が全体に占める割合を求めなさい。（7点）

第2問　区分求積と和の極限（17点）

正の整数nについて、

\[ A_n=\frac1n\sum_{j=1}^n\sqrt{17+\frac jn} \]

、

\[ B_n=\sum_{j=1}^n\frac1{17n+j} \]

とする。

（1）両方の和を、幅1/nの分割に対応する区分求積の形で説明しなさい。（5点）

（2）Aの数列の極限を求めなさい。（5点）

（3）Bの数列の極限を求めなさい。（7点）

第3問　円の弦と三角形の面積の最大化（17点）

円 \\(x^2+y^2=289\\) の内部の点 \(Q(\frac{17}{2},0)\) を通る直線が、円とA、Bで交わる。

（1）直線が鉛直のとき、2つの交点を求めなさい。（5点）

（2）直線の傾きを実数mとするとき、弦ABの長さを求めなさい。（5点）

（3）鉛直の直線も含め、原点OとA、Bでできる三角形の面積の最大値を求め、等号が成り立つ直線を示しなさい。（7点）

第4問　停止する試行と期待値の連立（17点）

表の確率が \(1/17\)、裏の確率が \(16/17\) の硬貨を独立に投げ、初めて表が2回連続したところで止める。試行回数をTとする。

（1）2回目と3回目に初めて止まる確率をそれぞれ求めなさい。（5点）

（2）直前が表でない状態と表の状態について、残りの試行回数の期待値を連立して、Tの期待値を求めなさい。期待値が有限であることは用いてよい。（5点）

（3）表が合計2回出ればよい場合の期待値と比較し、差を求めなさい。（7点）

第5問　楕円の接線と切片・回転体（16点）

楕円

\[ \frac{x^2}{1156}+\frac{y^2}{289}=1 \]

の第1象限の点 \(P(34\cos t,17\sin t)\)、\(0<t<\pi/2\) を考える。

（1）この点での接線の方程式を求めなさい。（4点）

（2）接線と2つの座標軸でできる三角形の面積の最小値を求めなさい。（4点）

（3）楕円の内部をx軸の周りに回転させた立体の体積を求めなさい。（8点）

第6問　三次方程式の実数解の個数（16点）

実数 \(a\) に対し、方程式 \(x^3-867x=a\) を考える。

（1）左辺の関数の極大値と極小値を求めなさい。（4点）

（2）異なる3つの実数解をもつための必要十分条件を求め、理由を説明しなさい。（4点）

（3）異なる実数解がちょうど2つとなる場合のパラメータと、そのときの解をすべて求めなさい。（8点）

解答・解説

第1問　重解を使う三次曲線の面積

（1）

\(f'(17)=0\) なので \(l:y=-9826\)。差は \((x-17)^2(x+34)\)。接点の横座標は2重の根となる。

\[ \boxed{(-34,-9826),\quad(17,-9826)} \]

採点の目安：考え方と立式に2点、結論と条件の確認に3点。

（2）

区間 \([-34,17]\) では差は非負。

\[ S=\int_{-34}^{17}(x^3-867x+9826)\,dx \]

。原始関数は \\(x^4/4-\frac{867}{2}x^2+9826x\\)。

\[ \boxed{\frac{2255067}{4}} \]

採点の目安：考え方と立式に2点、結論と条件の確認に3点。

（3）

非負の横座標の部分は

\[ \int_0^{17}(f(x)+9826)\,dx=\frac{250563}{4} \]

。全体の面積で割る。

\[ \boxed{\frac19} \]

採点の目安：考え方と立式に3点、結論と条件の確認に4点。

第2問　区分求積と和の極限

（1）

\(A_n\) は \(f(x)=\sqrt{17+x}\)、

\[ B_n=\frac1n\sum_{j=1}^n\frac1{17+j/n} \]

は \(g(x)=1/(17+x)\) の右端の値を用いた和。両方とも区間[0,1]で連続なので定積分に収束する。

\[ \boxed{A_n\to\int_0^1f(x)\,dx,\quad B_n\to\int_0^1g(x)\,dx} \]

採点の目安：考え方と立式に2点、結論と条件の確認に3点。

（2）

\[ \lim A_n=\int_0^1\sqrt{17+x}\,dx=[\frac23(17+x)^{3/2}]_0^1 \]

。

\[ \boxed{\frac23(54\sqrt{2}-17\sqrt{17})} \]

採点の目安：考え方と立式に2点、結論と条件の確認に3点。

（3）

\[ \lim B_n=\int_0^1\frac1{17+x}\,dx=[\log(17+x)]_0^1 \]

。

\[ \boxed{\log\frac{18}{17}} \]

採点の目安：考え方と立式に3点、結論と条件の確認に4点。

第3問　円の弦と三角形の面積の最大化

（1）

\(x=\frac{17}{2}\) を円の式に代入する。\\(y^2=\frac{867}{4}\\)。

\[ \boxed{(\frac{17}{2},\pm \frac{17}{2}\sqrt{3})} \]

採点の目安：考え方と立式に2点、結論と条件の確認に3点。

（2）

直線は \(mx-y-\frac{17}{2}m=0\)。原点からの距離をdとすると \(d^2=\frac{289m^2}{4(1+m^2)}\)。弦の半分と距離と半径で直角三角形を作り、\(AB=2\sqrt{289-d^2}\)。

\[ \boxed{AB=17\sqrt{\frac{4+3m^2}{1+m^2}}} \]

採点の目安：考え方と立式に2点、結論と条件の確認に3点。

（3）

直線がQを通るので \(0\le d\le17/2\)。面積の2乗は \(d^2(289-d^2)\)。\(s=d^2\) とおくと \(s(289-s)\) は \(0\le s\le289/4\) で増加する。距離が最大となるのは鉛直の直線。

\[ \boxed{\max S=\frac{289}{4}\sqrt{3},\quad x=\frac{17}{2}} \]

採点の目安：考え方と立式に3点、結論と条件の確認に4点。

第4問　停止する試行と期待値の連立

（1）

2回で止まる列は表表、3回で初めて止まる列は裏表表だけ。独立性により確率を掛ける。

\[ \boxed{P(T=2)=\frac{1}{289},\quad P(T=3)=\frac{16}{4913}} \]

採点の目安：考え方と立式に2点、結論と条件の確認に3点。

（2）

\(p=1/17,q=1-p\) とする。2状態の期待値をE、Fとすると \(E=1+qE+pF\)、\(F=1+qE\)。代入して \(p^2E=1+p\)。

\[ \boxed{306} \]

採点の目安：考え方と立式に2点、結論と条件の確認に3点。

（3）

1回の表までの平均は \(17\) 回なので合計2回の表までの平均は \(34\) 回。連続という条件を課すと期待値は前問の値となる。

\[ \boxed{E_{\text{合計2回}}=34,\quad\text{差}=272} \]

採点の目安：考え方と立式に3点、結論と条件の確認に4点。

第5問　楕円の接線と切片・回転体

（1）

楕円の式を陰関数微分すると \(y'=-x/(4y)\)。Pでの傾きと点を使って接線を整理する。

\[ \boxed{\frac{x\cos t}{34}+\frac{y\sin t}{17}=1} \]

採点の目安：考え方と立式に2点、結論と条件の確認に2点。

（2）

切片は \(34/\cos t\)、\(17/\sin t\)。面積は \(289/(\sin t\cos t)\)。\(\sin t\cos t\le1/2\)、等号は \(t=\pi/4\)。

\[ \boxed{S_{\min}=578,\quad t=\pi/4} \]

採点の目安：考え方と立式に2点、結論と条件の確認に2点。

（3）

切り口の半径の2乗は \(289\(1-x^2/1156\)\)。\(-34\le x\le34\) で \\(\pi y^2\\) を積分する。

\[ \boxed{\frac{39304}{3}\pi} \]

採点の目安：考え方と立式に4点、結論と条件の確認に4点。

第6問　三次方程式の実数解の個数

（1）

\(f'(x)=3(x-17)(x+17)\)。増減は順に増加・減少・増加なので、\(x=-17\) で極大、\(x=17\) で極小となる。

\[ \boxed{\text{極大値 }9826,\quad\text{極小値 }-9826} \]

採点の目安：考え方と立式に2点、結論と条件の確認に2点。

（2）

水平線が3つの単調な部分にそれぞれ1回交わる条件は、高さが極小値より大きく極大値より小さいことである。端点では接して重解をもつため除く。

\[ \boxed{-9826<a<9826} \]

採点の目安：考え方と立式に2点、結論と条件の確認に2点。

（3）

\(a=9826\) では \(f(x)-a=(x-34)(x+17)^2\)。\(a=-9826\) では \(f(x)-a=(x+34)(x-17)^2\)。

\[ \boxed{a=9826:x=-17,34;\quad a=-9826:x=-34,17} \]

採点の目安：考え方と立式に4点、結論と条件の確認に4点。